Lehrbuch Digitaltechnik

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Klemens Burgstaller
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1 Lehrbuch Digitaltechnik Eine Einführung mit VHDL von Prof. Dr.Jürgen Reichardt 3., überarbeitete und erweiterte Auflage Oldenbourg Verlag München

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort zur 3. Auflage V 1 Einleitung Die Hardwarebeschreibungssprache VHDL : Digitale und Analoge Signale Digitale Systeme Gliederung des Buches Vertiefende Aufgaben 9 2 Modellierung digitaler Schaltungen Lernziele Entwurfssichten und Abstraktionsebenen Modellierung mit Hardwarebeschreibungssprachen Datenflussmodelle Strukturmodelle Verhaltensmodelle Kombinatorische und getaktete Logik Eigenschaften kombinatorischer Logik Eigenschaften getakteter Logik Modellierung auf Register-Transfer-Ebene Entwurfsmethodik für programmierbare digitale Schaltungen Vertiefende Aufgaben 20 3 Boole'sche Algebra Lernziele Schaltvariable und Schaltfunktionen, Signale Elementare Schaltfunktionen Die NICHT-Schaltfiinktion (Inversion) Die UND-Schaltfiinktion (Konjunktion) 23

3 VIII Inhaltsverzeichnis Die ODER-Schaltfiinktion (Disjunktion) Boole'sche Funktionen mit mehreren Eingängen Rechenregeln der Schaltalgebra Theoreme Kommutativgesetze Assoziativgesetze Distributivgesetze De Morgan'sche Gesetze Vereinfachungsregeln Vollständige Systeme Das Dualitätsprinzip NAND- und NOR-Gatter Normalformen Disjunktive Normalform (DNF) Konjunktive Normalform (KNF) Realisierung von Schaltfunktionen mit Wahrheitstabellen SOP- und POS-Darstellungen von Wahrheitstabellen in programmierbaren Bausteinen mit UND/ODER-Logik Look-Up-Tabellen XOR- und XNOR-Logik SOP- und POS-Darstellungen XOR- und XNOR-Regeln und Gesetze XOR- und XNOR-Logik mit mehr als zwei Eingängen, Vorrangregeln Schaltsymbole Implementierung von Schaltfunktionen mit Multiplexern Analyse von Schaltnetzen V ertiefende Aufgaben 47 4 VHDL-Einführung I Lernziele Syntaxnotation Der Aufbau eines VHDL-Modells Beschreibung einer entity Aufbau einer architecture Nebenläufige Signalzuweisungen Logikoperatoren in VHDL VHDL-Testbenches Vertiefende Aufgaben 67

4 Inhaltsverzeichnis IX Zahlensysteme in der Digitaltechnik Lernziele Polyadische Zahlensysteme Umwandlung zwischen Zahlensystemen Addition und Subtraktion vorzeichenloser Dualzahlen Darstellung negativer Zahlen Eigenschaften des 2er-Komplementzahlensystems Addition und Subtraktion im 2er-Komplementzahlensystem Darstellung rationaler Zahlen Festkommadarstellung im Q-Format Gleitkommadarstellung Vertiefende Aufgaben 86 6 Logikminimierung Lernziele Minimierung mit KV-Tafeln Disjunktive Minimalform (DMF) Konjunktive Minimalform (KMF) Output-Don't-Care-Terme Grenzen der zweistufigen Minimierung Softwarealgorithmen zur zweistufigen Minimierung Quine-McCluskey-Algorithmus Espresso-Algorithmus Minimierungskonzepte für FPGAs Vertiefende Aufgaben VHDL-Einführung II Lernziele Das VHDL-Prozesskonzept Ereignisgesteuerte Simulatoren Verzögerungsmodelle Sequenzielle Anweisungen in Prozessen case-anweisung if-anweisung Prozesse ohne Sensitivityliste Verwendung von Variablen in Prozessen 128

5 X Inhaltsverzeichnis 7.8 Modellierungsbeispiel Vertiefende Aufgaben Codes Lernziele Charakterisierung und Klassifizierung Zahlencodes Code für die Längen- und Winkelmesstechnik Methoden der Fehlererkennung und -korrektur Vertiefende Aufgaben Physikalische Implementierung und Beschattung von Logikgattern Lernziele Logikgatter in CMOS-Technologie CMOS-Technologie und Kennlinien der MOS-Transistoren Aufbau und Kennlinien eines CMOS-Inverters Pegelbereiche digitaler Logikfamilien Logikzustände und elektrische Pegel Statische CMOS-Logikgatter Beschaltung von Gatterausgängen Standardausgang Open-Drain- / Open-Collector-Ausgang Three-State-Ausgang VHDL-Modellierung mit den Datentypen std ulogic und std logic Mehrwertige Datentypen Datentypen mit Auflösungsfunktion VHDL-Modellierungsbeispiele Vertiefende Aufgaben Datenpfadkomponenten Lernziele Multiplexer Binärzahlendecoder und Demultiplexer Prioritätsencoder Code-Umsetzer Komparator Hierarchische Strukturmodellierung in VHDL 182

6 Inhaltsverzeichnis XI 10.8 Addierer Halb-und Volladdierer Ripple-Carry-Addierer Carry-Lookahead-Addierer Kombinierter Addierer/Subtrahierer Addition von Festkommazahlen im Q-Format Hardware-Multiplizierer Arithmetik in VHDL Vertiefende Aufgaben Latches und Flipflops in synchronen Schaltungen Lernziele Das RS-Latch Basis-RS-Latch Taktzustandsgesteuertes RS-Latch Das D-Latch (Data-Latch) D-Flipflops Varianten von D-Flipflops JK-Flipflop T-Flipflop Zweispeicher-Flipflops RTL-Modellierung synchroner Schaltungen Zusammenfassung V ertiefende Aufgaben Entwurf synchroner Zustandsautomaten Lernziele Formale Beschreibung von Zustandsautomaten Entwurf eines Geldwechselautomaten Realisierung als Mealy-Automat Realisierung als Moore-Automat Medwedew-Automatenstruktur Impulsfolgeerkennung mit Zustandsautomaten Implementierung als Moore-Automat Implementierung als Mealy-Automat Kopplung von Zustandsautomaten Vertiefende Aufgaben 270

7 XII Inhaltsverzeichnis 13 Entwurf von Synchronzählern Lernziele Manuelle Implementierung von Zählern mod-5-zähler mod-4-vorwärts-/rückwärtszähler Standardzähler Abhängigkeitsnotation Systematischer VHDL-Entwurf von Zählern Kaskadierung von Standardzählern Vertiefende Aufgaben Schieberegister Lernziele Arbeitsweise von Schieberegistern Serien-Parallel-Umsetzer Parallel-Serien-Umsetzer Zähler mit Schieberegistern Ringzähler Johnson-Zähler Linear rückgekoppelte Schieberegister Vertiefende Aufgaben Synchronisation digitaler Systeme Lernziele Kopplung von Signalen in zueinander synchronen Taktdomänen Impulsverkürzung Impulsverlängerung Synchronisation asynchroner Eingangssignale Synchronisation langer Eingangsimpulse Synchronisation kurzer Eingangsimpulse Asynchrone Resets : Datenaustausch zwischen Teilsystemen Synchrone Datenübertragung Asynchrone Datenübertragung Vertiefende Aufgaben 341

8 Inhaltsverzeichnis XIII 16 Digitale Halbleiterspeicher Lernziele Übersicht Klassifizierung Speicherstrukturen Kenngrößen Nichtflüchtige Speicher Maskenprogrammierbares ROM PROM EPROM EEPROM und Flash-EEPROM Instanziierung von ROM-Strukturen durch VHDL-Code Flüchtige Speicher SRAMs DRAMs SDRAM und DDR-RAM Modellierung von SRAM-Speicher in VHDL FIFO-Speicher VHDL-Modellierung eines Dual-Port-Block-RAMs Speichererweiterung Vertiefende Aufgaben Programmierbare Logik Lernziele PLD-Architekturen SPLDs PROM-Speicher PLAs PALs CPLDs FPGAs Die Spartan-3-FPGA-Familie der Fa. Xilinx Technologische Entwicklungstrends bei FPGAs V ertiefende Aufgaben 406

9 XIV Inhaltsverzeichnis 18 Anhang Hinweise zur Verwendung von ModelSim und ISE WebPACK ModelSim Hilfesystem Entwicklungsablauf mit ModelSim VHDL-Codierungsempfehlungen 420 Literaturverzeichnis 425 Sachregister 429

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